Nuovo ammasso stellare nella Via Lattea

Individuato un vasto nuovo flusso stellare nelle vicinanze del Sole, che potrebbe fornire la prima indicazione della fusione di una galassia nana con il disco della Via Lattea.

Gli astronomi possono intraprendere tutta la loro carriera senza trovare un nuovo oggetto nel cielo. Ma per la dottoressa Lina Necib, (1) una studiosa post-dottorato in fisica teorica alla Caltech, la scoperta di un ammasso di stelle nella Via Lattea, ma non nata dalla Via Lattea, è arrivata presto - con il supporto di un supercomputer, l'osservatorio spaziale di Gaia e nuovi metodi di apprendimento profondo.

In Nature Astronomy, (2) Lina Necib e i suoi collaboratori descrivono Nyx, un vasto nuovo flusso stellare nelle vicinanze del Sole, che potrebbe fornire la prima indicazione della fusione di una galassia nana con il disco della Via Lattea. Si ritiene che questi flussi stellari siano ammassi globulari o galassie nane che sono state distese lungo la sua orbita dalle forze cosmiche prima di essere completamente interrotte.

FUOCO nel Cosmo

La dottoressa Lina Necib studia la cinematica - o movimenti - delle stelle e della materia oscura nella Via Lattea. Ella dice: «Se ci sono gruppi di stelle che si muovono insieme in un modo particolare, questo di solito ci dice che c'è una ragione per cui si stanno muovendo insieme.»

Dal 2014, ricercatori di Caltech, Northwestern University, UC San Diego e UC Berkeley hanno sviluppato simulazioni altamente dettagliate di galassie realistiche nell'ambito di un progetto chiamato FIRE (Feedback In Realistic Environments). (3) Queste simulazioni includono tutto ciò che gli scienziati sanno su come le galassie si formano e si evolvono. A partire dall'equivalente virtuale dell'inizio del tempo, le simulazioni producono galassie che assomigliano e si comportano in modo simile al nostro.

Mappatura della Via Lattea

In concomitanza con il progetto FIRE, l'osservatorio spaziale Gaia (4) è stato lanciato nel 2013 dall'Agenzia spaziale europea. Il suo obiettivo è quello di creare una mappa tridimensionale straordinariamente precisa di circa un miliardo di stelle in tutta la galassia della Via Lattea e oltre.

La dottoressa Lina Necib spiega: «Fino ad oggi è il più grande studio cinematico. L'osservatorio fornisce i movimenti di un miliardo di stelle. Un sottoinsieme di esso, sette milioni di stelle, hanno velocità 3D, il che significa che possiamo sapere esattamente dove si trova una stella e il suo movimento. Siamo passati da set di dati molto piccoli a fare analisi di massa che non potevamo fare prima di capire la struttura della Via Lattea.»

L'individuazione dell'ammasso stellare Nyx ha comportato la combinazione di questi due grandi progetti di astrofisica e la loro analisi utilizzando sofisticati metodi di apprendimento.

Tra le domande che sia la simulazione che l'indagine del cielo affrontano è: in che modo la Via Lattea è diventata quella che è oggi?

«Le galassie si formano inghiottendo altre galassie», ha detto Necib. «Abbiamo ipotizzato che la Via Lattea avesse una storia di fusioni silenziosa e per un po' riguardava quanto fosse silenziosa perché le nostre simulazioni mostrano molte fusioni. Ora, con l'accesso a molte strutture più piccole, capiamo che non è abbastanza silenzioso come sembra. È molto importante avere tutti questi strumenti, dati e simulazioni. Tutti devono essere usati immediatamente per districare questo problema. Siamo nelle fasi iniziali che ci porteranno verso la comprensione di come si forma la Via Lattea.»

Applicazione del Deep Learning a Gaia

Una mappa di un miliardo di stelle offre così tante informazioni, ma quasi impossibili da analizzare dalla percezione umana.

«In precedenza, gli astronomi dovevano cercare e progettare molto, e forse usare alcuni algoritmi di clustering. Ma questo non è più possibile», spiega Necib. «Non possiamo fissare sette milioni di stelle e capire cosa stanno facendo. Quello che abbiamo fatto in questa serie di progetti è di aver utilizzato i cataloghi finti di Gaia.»

Il finto catalogo Gaia, sviluppato dalla dottoressa Robyn Sanderson (5) (Università della Pennsylvania), essenzialmente chiedeva: Se le simulazioni di FUOCO fossero reali e osservate con Gaia, cosa vedremmo?

Il collaboratore della dottoressa Lina Necib, il dottor Bryan Ostdiek (6) (precedentemente all'Università dell'Oregon, e ora all'Università di Harvard), che in precedenza era stato coinvolto nel progetto Large Hadron Collider (LHC), aveva esperienza nella gestione di enormi set di dati utilizzando la macchina e l'apprendimento profondo. Portare questi metodi sull'astrofisica ha aperto le porte a un nuovo modo di esplorare il cosmo. Egli afferma: «Al Large Hadron Collider (LHC) abbiamo simulazioni incredibili, ma temiamo che le macchine addestrate su di esse possano apprendere la simulazione e non la fisica reale. Allo stesso modo, le galassie del progetto FIRE (Feedback In Realistic Environments) forniscono un ambiente meraviglioso per addestrare i nostri modelli, ma non sono la Via Lattea. Abbiamo dovuto imparare non solo cosa potrebbe aiutarci a identificare le stelle interessanti nella simulazione, ma anche a come farlo generalizzare alla nostra vera galassia.»

Il team ha sviluppato un metodo per rintracciare i movimenti di ogni stella nelle galassie virtuali ed etichettarle come nate nella galassia ospite o potenziate come i prodotti delle fusioni di galassie. I due tipi di stelle hanno firme diverse, sebbene le differenze siano spesso sottili. Queste etichette sono state utilizzate per addestrare il modello di apprendimento profondo, che è stato poi testato su altre simulazioni FIRE.

Dopo aver creato il catalogo, lo hanno applicato ai dati di Gaia. «Abbiamo chiesto alla rete neurale, 'In base a ciò che hai imparato, puoi etichettare se le stelle sono state nominate o no?'», Ha detto Lina Necib.

Il modello ha classificato la fiducia che una stella è nata fuori dalla Via Lattea in un intervallo da 0 a 1. Il team ha creato un limite con una tolleranza per l'errore e ha iniziato a esplorare i risultati.

Questo approccio di applicare un modello addestrato su un set di dati e applicarlo a un set diverso ma correlato si chiama apprendimento del trasferimento e può essere pieno di sfide. «Avevamo bisogno di assicurarci che non stessimo imparando cose artificiali sulla simulazione, ma davvero quello che sta succedendo nei dati», precisa Necib. «Per questo, abbiamo dovuto dargli un po' di aiuto e dirgli di ripesare alcuni elementi noti per dargli un po' di ancora.»

Per prima cosa hanno verificato se fosse in grado di identificare le caratteristiche note della galassia. Questi includono “la salsiccia di Gaia” - i resti di una galassia nana che si fonde con la Via Lattea circa sei-dieci miliardi di anni fa e che ha una caratteristica forma orbitale simile a una salsiccia.

«Ha una firma molto specifica», ha spiegato la ricercatrice. «Se la rete neurale funzionasse come dovrebbe, dovremmo vedere questa enorme struttura che già sappiamo è lì.»

La “salsiccia di Gaia” era lì, così come l'alone stellare - stelle di sfondo che danno alla Via Lattea la sua forma rivelatrice - e il torrente Helmi, un'altra galassia nana conosciuta che si fonde con la Via Lattea in un lontano passato e fu scoperta in 1999.

Primo avvistamento: Nyx

Il modello ha identificato un'altra struttura nell'analisi: un ammasso di 250 stelle, che ruotano con il disco della Via Lattea, ma in direzione anche verso il centro della galassia.

E se fosse già stato scoperto? «Inizi a leggere la letteratura, assicurandoti che nessuno l'abbia vista e fortunatamente per me, nessuno l'ha fatto. Così ho dovuto nominarla, che è la cosa più eccitante in astrofisica. L'ho chiamata Nyx, la dea greca della notte. Questa particolare struttura è molto interessante perché è stata individuata grazie all'apprendimento automatico.»

Il progetto ha richiesto l'elaborazione avanzata in molte fasi diverse. Le simulazioni FIRE e FIRE-2 (Feedback In Realistic Environments) aggiornate sono tra i più grandi modelli computerizzati di galassie mai tentati. Ognuna delle nove simulazioni principali - tre diverse formazioni di galassie, ognuna con un punto di partenza leggermente diverso per il sole - ha impiegato mesi di calcolo da parte di supercomputer più veloci al mondo. Questi includevano Blue Waters presso il National Center for Supercomputing Applications (NCSA), le strutture di elaborazione di fascia alta della NASA e, più recentemente, Stampede2 presso il Texas Advanced Computing Center (TACC).

I ricercatori hanno utilizzato i cluster dell'Università dell'Oregon per formare il modello di apprendimento profondo e applicarlo al massiccio set di dati Gaia. Gli scienziati stanno attualmente utilizzando Frontera, il sistema più veloce in qualsiasi università del mondo, per continuare il lavoro.

«Tutto ciò che riguarda questo progetto è molto intenso dal punto di vista computazionale e non sarebbe in grado di realizzarsi senza un calcolo su larga scala», sostiene Lina Necib.

Passi futuri

La dottoressa Lina Necib e il suo team hanno in programma di esplorare ulteriormente l'ammasso stellare Nyx usando i telescopi terrestri. Ciò fornirà informazioni sulla composizione chimica del flusso e altri dettagli che li aiuteranno a datare l'arrivo dell'ammasso stellare Nyx nella Via Lattea e probabilmente fornire indizi sulla sua provenienza.

Il prossimo rilascio di dati di Gaia nel 2021 conterrà ulteriori informazioni su circa 100 milioni di stelle nel catalogo, rendendo possibili ulteriori scoperte di cluster accreditati.

«Quando è iniziata la missione Gaia, gli astronomi sapevano che avrebbero ottenuto uno dei più grandi set di dati», ha detto Necib. «Tuttavia, dovevamo evolvere le nostre tecniche per adattarci al set di dati. Se non avessimo modificato o aggiornato i nostri metodi, ci saremmo persi sulla fisica che si trova nel nostro set di dati.»

I successi dell'approccio del team Caltech possono avere un impatto ancora maggiore. «Stiamo sviluppando strumenti computazionali che saranno disponibili per molte aree di ricerca e anche per attività non legate alla ricerca», puntualizza Necib. «Questo è il modo in cui spingiamo la frontiera tecnologica in generale.»

Riferimenti:

(1) Lina Necib

(2) Evidence for a vast prograde stellar stream in the solar vicinity

(3) Feedback In Realistic Environments

(4) Gaia Mission

(5) Robyn Sanderson

(6) Bryan Ostdiek

Descrizione foto: Immagine tratta da una simulazione della formazione di singole galassie, a partire da un periodo in cui l'Universo aveva solo pochi milioni di anni. - Credit: Hopkins Research Group, Caltech.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New Collection of Stars, Not Born in Our Galaxy, Discovered in Milky Way